Funciones y metabolismo de los nutrientes

ngel Gil Hernndez, Fermn Snchez de Medina Contreras- (c)Centro de Enseanzas Virtuales de la Universidad de Granada

Tema 1. Funciones y metabolismo de los nutrientes

Objetivos

Conocer los conceptos de metabolismo, anabolismo y catabolismo.Identificar las funciones energticas y estructurales de los macronutrientes y de losmicronutrientes y conocer los conceptos de nutrientes esenciales, no esenciales y semiesenciales.Exponer el concepto de equilibrio y balance de nutrientes y de recambio (turnover ) de nutrientesy metabolitos.Describir en qu consiste el flujo de nutrientes a travs de una va metablica.Comprender el concepto de pool de nutrientes y metabolitos, y describir los tipos de pools en elorganismo.Conocer los conceptos de metabolismo energtico, haciendo especial hincapi en el papel de loscompuestos ricos en energa de hidrlisis.Hacer un esquema de la va de la fosforilacin oxidativa y de la fosforilacin a nivel de sustrato.Identificar las principales fases del metabolismo intermediario y esquematizar las principales vasmetablicas implicadas.Comprender los conceptos de compartimentacin celular y tisular.Conocer los mecanismos de regulacin del metabolismo



1. Introduccin

Los nutrientes contenidos en los alimentos, despus de digeridos y absorbidos en el epiteliointestinal, entran en la circulacin sangunea y son distribuidos y utilizados en diferentes tejidos confines de obtencin de energa o como elementos estructurales o reguladores de las funcionesbiolgicas. Los macronutrientes (hidratos de carbono, grasas y protenas) son utilizados por lostejidos tanto con fines energticos como estructurales.

El objeto de este captulo es el estudio de la utilizacin de los macronutrientes por los tejidos,denominado metabolismo. Este trmino describe la suma de procesos por los que una sustanciadeterminada es utilizada por el organismo e incluye los cambios qumicos que tienen lugar en lasclulas, por los cuales se obtiene energa para los procesos vitales, y las actividades y vas deobtencin de nuevas biomolculas necesarias para el crecimiento, desarrollo y diferenciacin de lostejidos.

Los nutrientes son necesarios para la formacin de compuestos estructurales y funcionales en todoslos tejidos.

Las protenas, los fosfolpidos, el colesterol, los glicolpidos, los glicosaminoglicanos, los cidosnucleicos y un nmero elevado de otras molculas orgnicas de naturaleza nitrogenada soncomponentes importantes de las clulas y de los fluidos biolgicos. La diferencia entre la ingesta denutrientes y su utilizacin es lo que se denomina balance de nutrientes. Todos estos componentesqumicos del organismo no se encuentran en un estado esttico sino que son continuamentedegradados, mediante reacciones catablicas, y sintetizados de nuevo (turnover ). Por otra parte, losnutrientes y los metabolitos se agrupan en conjuntos denominados pools tanto a nivel molecularcomo celular, tisular y del organismo en su conjunto.

Los procesos metablicos implicados en la ruptura y oxidacin de los macronutrientes hasta agua ydixido de carbono, con liberacin de energa, capturada en forma de equivalentes de reduccin y deenlaces de elevada energa de hidrlisis en los denominados compuestos "ricos en energa", sedenominan vas catablicas. Los procesos metablicos relacionados con la sntesis de macromolculastales como las protenas, glucgeno, varios tipos de lpidos y de cidos nucleicos se denominan vasanablicas. Adems, existen vas que conectan el catabolismo con el anabolismo, tales comodeterminadas etapas del ciclo del cido ctrico, que tienen un carcter anfiblico. Este captulo ofreceuna visin general de las vas catablicas y anablicas, as como de las vas de conexin entreambas y de su regulacin.



2. Funciones de los nutrientes

2.1. Concepto de metabolismo

2.2. Los nutrientes como combustibles metablicos

2.3. Los nutrientes como sillares estructurales

2.4. Nutrientes esenciales, no esenciales y semiesenciales

2.5. Funciones especficas de los nutrientes

2.6. Equilibrio y balance de nutrientes

2.7. Recambio metablico de los nutrientes

2.8. Flujo de los nutrientes a travs de las vas metablicas

2.9. Pools de nutrientes y de metabolitos

2.10. Adaptaciones metablicas a la ingesta alterada de nutrientes



2.1. Concepto de metabolismo

Se conoce con el nombre de metabolismo a las transformaciones qumicas que sufren los nutrientesen los tejidos, una vez superados los procesos de digestin y absorcin correspondientes. Estemetabolismo incluye reacciones de tipo degradativo, que se utilizan fundamentalmente para obtenerenerga (catabolismo), y reacciones de tipo biosinttico, por las que se forman diversas biomolculasutilizando parte de esa energa (anabolismo).

Animacin: Introduccin


2.2. Los nutrientes como combustibles metablicos

El cuerpo humano es una mquina que necesita disponer de "combustible" en forma de energaqumica. Esta energa es utilizada para el trabajo fsico, para obtener calor y mantener as latemperatura corporal, para la construccin de sus propias estructuras, utilizando para ello numerosasreacciones biosintticas, y para transportar un elevado nmero de sustancias a travs de lasmembranas celulares. Un combustible metablico puede definirse como un compuesto circulante quees tomado por los tejidos para la produccin de energa. Existen dos tipos de combustibles para elorganismo: exgenos, derivados de la ingesta de alimentos, y endgenos, derivados directamente delos almacenes tisulares (como el glucgeno y los triglicridos) o de la oxidacin incompleta de otroscombustibles (como el lactato o los cuerpos cetnicos).

Las fuentes de combustible contenidas en los alimentos son los macronutrientes denominadoshidratos de carbono, grasas y protenas. Si estos compuestos se queman en una bomba calorimtricadan lugar a la formacin de dixido de carbono (CO2), agua y adems, en el caso de las protenas,xidos de nitrgeno. Su combustin tambin libera calor. De la misma manera, su oxidacin en elorganismo humano libera CO2, agua y urea, que contiene el nitrgeno derivado de las protenas. Losmacronutrientes pueden ser oxidados tan slo parcialmente o ser convertidos en otras sustanciaspero, esencialmente, o son oxidados completamente o son almacenados. No obstante, la oxidacinincompleta de los nutrientes explica por qu el organismo humano libera al exterior en el sudor y enlas excretas pequeas cantidades de otras sustancias como lactato, cuerpos cetnicos (acetoacetatoy -hidroxibutirato), aminocidos y otros productos de su metabolismo. Resulta muy til en nutricinmantener esta visin global de utilizacin metablica de los nutrientes (Figura 1).

Figura 1. Balance de macronutrientes



2.3. Los nutrientes como sillares estructurales

En realidad, los alimentos no slo suministran energa utilizable por el organismo, sino querepresentan la fuente principal de sustancias de naturaleza estructural y proveen debiocatalizadores preformados, necesarios para numerosas reacciones tanto de degradacin de losnutrientes ingeridos como de biosntesis de otras sustancias.

As, las protenas ingeridas con la dieta son la fuente fundamental de los aminocidos para laconstruccin de las protenas corporales propias. Por otra parte, los lpidos constituyentes de losalimentos no slo proveen de energa sino que son la fuente de otros compuestos estructurales comolos cidos grasos esenciales y el colesterol, fundamentales para la estructura de las membranascelulares. De la misma forma, la glucosa derivada de los hidratos de carbono de la dieta no slo seutiliza con fines energticos, sino que se aprovecha para la formacin de numerosas estructuras en laque estn implicadas glicoprotenas y glicolpidos, as como intermediarios metablicos, de granimportancia en el funcionamiento celular.

Por otra parte, varios elementos minerales contenidos en los alimentos, tales como Ca, P, Mg, son lafuente principal de nutrientes estructurales de naturaleza inorgnica implicados en el desarrollo ymantenimiento del tejido seo, as como en la regulacin de numerosas reacciones celulares en todoslos tejidos.

Asimismo, los electrlitos Na, K y Cl, involucrados en el mantenimiento de la presin osmticacelular y necesarios en el organismo para el funcionamiento de todos los tejidos, se obtienen de losalimentos. Todos estos minerales ingeridos en la dieta en cantidades importantes tambin seconsideran macronutrientes. Otros minerales como Fe, Zn, Cu, Mn, Se, Co, Cr, F e I, denominadosoligoelementos, as como las vitaminas, se ingieren con los alimentos en pequeas cantidades y seconsideran micronutrientes. Los oligoelementos desempean una funcin eminentemente estructuralpara muchas protenas del ser humano, o bien estn implicados en la regulacin de numerosasreacciones biolgicas. Por lo que se refiere a las vitaminas, son sustancias de naturaleza orgnicacontenidas en los alimentos que, una vez absorbidas y adecuadamente transformadas hasta susformas activas en el interior del organismo humano, participan como biocatalizadores de numerosasreacciones metablicas y, en algunos casos, modulan directamente la expresin de varios genesimplicados en el crecimiento y diferenciacin celular.



2.4. Nutrientes esenciales, no esenciales y semiesenciales

Las vas anablicas del organismo humano no posibilitan la sntesis de toda la amplia gama decompuestos necesarios para el metabolismo celular normal, por lo que es preciso que una parteimportante de ellos sea aportada por la dieta. Esto ocurre no solamente con las vitaminas, sino conun nmero considerable de aminocidos y con ciertos cidos grasos. Estos nutrientes se denominanesenciales, mientras que aquellos para los que el organismo posee la correspondiente va biosintticason los nutrientes no esenciales. El hecho de que el organismo pueda sintetizar los nutrientes noesenciales no excluye la recomendacin de que sean aportados por la dieta. En algunos casos, estosnutrientes se forman a partir de otros que son esenciales (la tirosina de la fenilalanina, por ejemplo).Y aunque esto no sea as, el funcionamiento de la va biosinttica correspondiente supone siempreun gasto energtico suplementario. As, por ejemplo, la glucosa, que es un nutriente no esencial,puede formarse en el organismo a partir de los aminocidos, algunos de ellos esenciales, cuando nose aporta por la dieta. En el caso de la niacina, una vitamina, se puede formar a partir deltriptfano, pero ste es un aminocido esencial.

Se consideran compuestos semiesenciales o condicionalmente esenciales aquellos que pueden sersintetizados en el organismo (incluyendo la aportacin de la flora intestinal), pero en cantidades quepueden resultar insuficientes en determinados estados de requerimientos aumentados (crecimiento,embarazo, lactancia, senectud, etc.). Se pueden incluir aqu algunos aminocidos y bases pricas,entre otros.



2.5. Funciones especficas de los nutrientes

2.5.1. Hidratos de carbono

2.5.2. Lpidos

2.5.3. Protenas y otros componentes nitrogenados de los alimentos

2.5.4. Vitaminas y minerales


2.5.1. Hidratos de carbono

Los hidratos de carbono son los componentes orgnicos ms abundantes de la mayor parte de lasfrutas, verduras, legumbres y cereales, contribuyendo a la textura y sabor de estos alimentos.Representan la fuente de energa mayoritaria para el ser humano, son digeridos y absorbidos en elintestino delgado y, en menor medida, algunos de ellos son fermentados parcialmente en elintestino grueso (ver Metabolismo de los hidratos de carbono)

La ingesta de energa debida a los hidratos de carbono representa el 40-60% de la energa totalaportada por la dieta. Los hidratos de carbono, consumidos preferentemente en forma dedisacridos, oligosacridos y polisacridos, son absorbidos y transportados a los tejidos corporalescomo glucosa; sta es el combustible metablico primario para los humanos. Algunos tipos declulas, como los eritrocitos, slo son capaces de utilizar este combustible. La Tabla 1 muestra unalista de los combustibles metablicos utilizados por diferentes tejidos y los productos liberados. Laglucosa utilizada en los tejidos deriva de los almidones, sacarosa y lactosa de la dieta, de losdepsitos corporales de glucgeno heptico y muscular, o de la sntesis heptica o renal, a partir deprecursores gluconeognicos tales como el esqueleto carbonado de algunos aminocidos, del gliceroly del lactato; estas fuentes permiten el mantenimiento de la concentracin de glucosa en sangredentro de lmites estrechos.

Tabla 1. Principales combustibles metablicos utilizados por diferentes tejidos

Tejido Combustible utilizado Combustible liberado

Cerebro GlucosaCuerpos cetnicos

Lactato (slo en ayunoprolongado)

Corazn cidos grasos libresTriglicridosGlucosaCuerpos cetnicosLactato

Eritrocitos Glucosa Lactato

Hgado Glucosacidos graso libresGlicerolLactatoAlcoholAminocidos (parcialmente)

GlucosaLactato (fase absortiva)TriglicridosCuerpos cetnicos

Intestino delgado GlucosaGlutamina

GlucosaAminocidosLpidos

Msculo esqueltico Glucosacidos grasos libresTriglicridosAminocidos de cadenaramificada

LactatoAlaninaGlutamina

Rin Glucosacidos grasos libresCuerpos cetnicos

Glucosa (slo en ayunoprolongado)


LactatoGlutamina

Tejido adiposo GlucosaTriglicridos

LactatoGlicerolcidos grasos libres

El equilibrio entre oxidacin, biosntesis y almacenamiento de glucosa depende del estado hormonal ynutricional de la clula, el tejido y el organismo. Las vas metablicas predominantes de la glucosavaran en diferentes tipos celulares dependiendo de la demanda fisiolgica. As, el hgado desempeaun papel fundamental en la homeostasis corporal de la glucosa. En los hepatocitos, la glucosa puedeser oxidada completamente para obtener energa, ser almacenada en forma de glucgeno o proveercarbonos para la sntesis de cidos grasos y aminocidos. Adems, el hgado puede liberar glucosa apartir de glucgeno o sintetizar glucosa de novo en condiciones de hipoglucemia. Asimismo, como enotros tejidos, el hepatocito es capaz de oxidar glucosa para producir equivalentes de reduccin(NADPH) y ribosa-5-fosfato empleados para la biosntesis de otras biomolculas y, en particular,para la sntesis de cidos nucleicos. Otros tejidos, como el tejido adiposo, el msculo cardiaco yesqueltico y el cerebro responden a las concentraciones plasmticas de glucosa alterando su usointerno, pero no contribuyen a la homeostasis corporal de la glucosa liberando glucosa a la sangre.Los msculos cardiaco y esqueltico pueden oxidar completamente la glucosa o almacenarla enforma de glucgeno. En el corazn, el metabolismo de la glucosa es siempre aerobio mientras que elmsculo esqueltico, en condiciones de aporte insuficiente de oxgeno por periodos limitados detiempo, puede tambin oxidar la glucosa de forma anaerobia. En el tejido adiposo, la glucosa puedese degradada parcialmente para proveer glicerol, necesario para la sntesis de triglicridos, u oxidadatotalmente y proveer unidades de dos carbonos (acetil-CoA) para la sntesis de cidos grasos. Bajocondiciones de necesidad de energa, el tejido adiposo puede liberar combustible metablico en formade cidos grasos libres circulantes en el torrente sanguneo. El cerebro es dependiente del suministrocontinuo de glucosa, que es capaz de oxidar completamente hasta CO2 y agua. Por otra parte, loseritrocitos tienen una capacidad limitada de oxidar glucosa, ya que no tienen mitocondrias, pero laobtencin de energa depende exclusivamente de ese combustible metablico oxidndolaparcialmente hasta lactato va gluclisis. Otras clulas especializadas, como las clulas de la crnea,el cristalino, la retina, los leucocitos, las clulas testiculares y las clulas de la mdula renal, soneminentemente glucolticas. La glucosa tambin sirve como molcula precursora para la sntesis delresto de los hidratos de carbono constituyentes de glicoprotenas, proteoglicanos y glicolpidoscorporales. Estas biomolculas complejas son componentes importantes de los fluidos corporales, lamatriz de los tejidos, las membranas y las superficies celulares.



2.5.2. Lpidos

Los lpidos de la dieta estn constituidos mayoritariamente por triglicridos (grasas) y pequeascantidades de otros lpidos complejos tales como fosfolpidos, colesterol y otros componentesminoritarios (ceras, glicolpidos, vitaminas liposolubles, etc.). Las funciones ms importantes de loslpidos de la dieta son servir de fuente de energa metablica, proveer de elementos estructuralespara las membranas celulares, servir como fuente de agentes emulsionantes, para la propiaabsorcin de los triglicridos, y como lubricantes de las superficies corporales, servir de vehculo parael transporte de vitaminas liposolubles (A, D, E y K) y actuar como precursores de hormonas y deotras molculas de sealizacin celular. Estas funciones requieren diferentes clases de lpidos quedifieren ampliamente en su estructura. Los lpidos en forma de triglicridos desempean una funcincrtica en el metabolismo como sustancias fundamentales para el almacenamiento de energa en elorganismo. Alrededor del 85% de la energa almacenada en un adulto varn est en forma detriglicridos en el tejido adiposo. La grasa de la dieta supone una forma concentrada de energa. Porejemplo, la grasa de la leche materna es la fuente ms importante de energa para el recin nacido,alcanzando el 55% de la energa total de la dieta. En el adulto, el consumo de grasa oscila entre el35 y el 45% de la energa total consumida diariamente; un adulto sano en equilibrio metablicoconsume alrededor de 100 g de grasa al da, equivalentes a 900 kcal. Cuando el contenido calricode la dieta excede los requerimientos energticos inmediatos del individuo, los hidratos de carbono,y en menor medida los aminocidos, pueden ser transformados en cidos grasos y esterificados conglicerol para formar triglicridos. stos representan una forma muy eficiente de almacenar energa,ya que su valor energtico es alrededor de 9 kcal/g, frente a los hidratos de carbono y a lasprotenas cuyo valor energtico es tan slo de 4 kcal/g. Adems, los triglicridos puedenalmacenarse en un estado relativamente anhidro, requiriendo 1 g de agua/g de triglicrido, mientrasque el glucgeno y las protenas necesitan 4 g de agua por gramo de sustancia seca para mantenerun estado de hidratacin adecuado.

El principal papel estructural de los lpidos es contribuir al mantenimiento de la estructura de lamembrana plasmtica y de las membranas subcelulares. Los componentes fundamentales de lasmembranas celulares son fosfolpidos, glicolpidos y colesterol, cuyas proporciones varan segn eltipo celular y el tipo de membrana.

Los lpidos tambin desempean una funcin importante en la lubrificacin y en el acondicionamientode las superficies corporales. La mayora de las glndulas sebceas, que segregan un lquidocompuesto por triglicridos, escualeno y ceras, estn situadas en la piel, y en las membranasmucosas de los orificios externos corporales.

Los lpidos desempean importantes funciones de sealizacin, tanto en el exterior como en elinterior de las clulas. Las hormonas esterodeas y la vitamina D son derivados del colesterol queintervienen en numerosas vas de sealizacin extracelular. Los eicosanoides, derivados de los cidosgrasos poliinsaturados de cadena larga, y el factor activador de las plaquetas, derivado del cidoaraquidnico, son tambin importantes sustancias en los procesos de sealizacin extracelular. Porotra parte, en el interior de las clulas, los diacilgliceroles y ciertas molculas derivadas de losfosfolpidos y de los esfingolpidos estn implicados en la transmisin de seales desde la membranaplasmtica hasta enzimas citoslicas, compartimentos celulares y protenas que regulan la expresinde genes en el ncleo.


2.5.3. Protenas y otros componentes nitrogenados de los alimentos

Los alimentos contienen diversos compuestos de naturaleza nitrogenada entre los cuales seencuentran protenas, cidos nucleicos, aminocidos libres y otros compuestos minoritarios, muchosde los cuales contribuyen al sabor de los mismos. Entre todos esos compuestos, las protenas son,con mucho, los nutrientes ms importantes.

La protena de la dieta es, no slo necesaria para el mantenimiento de la protena corporal, sinoimprescindible para el incremento de la protena corporal asociada al crecimiento. Si se limita laingesta energtica o la protena se produce un retraso en el crecimiento. En el adulto, una ingestaadecuada de protenas mantiene la masa corporal proteica y la capacidad de adaptacin a diferentescondiciones metablicas y ambientales. La prdida de protenas corporales se asocia a numerosaspatologas y a un aumento de la mortalidad. Cuando las prdidas de protenas son superiores al 30%del total de protena corporal, la proporcin de supervivencia disminuye hasta el 20%.

La protena supone aproximadamente el 17% de la masa corporal. Las protenas desempeanfunciones estructurales (colgenos), facilitan la movilidad (actina y miosina en la contraccinmuscular), intervienen en el transporte de numerosas sustancias en los fluidos corporales(hemoglobina, transferrina, ceruloplasmina, etc.), y a travs de las membranas (sistemas detransporte), intervienen como biocatalizadores en numerosas reacciones biolgicas (enzimas),participan en la regulacin del sistema inmune (inmunoglobulinas y citoquinas) y actan comoreguladores en numerosos procesos de crecimiento, desarrollo y diferenciacin celular (factores decrecimiento, factores de transcripcin, etc.). Aunque la diversidad funcional de las protenas esenorme, aproximadamente una cuarta parte de las protenas corporales est formada por lasprotenas estructurales colgenos, actina y miosina, y por la hemoglobina, protena especializada enel transporte de oxgeno.

La protena corporal est distribuida en todos los rganos, con una parte mayoritaria en el tejidomuscular (alrededor del 40%). Las protenas del msculo, adems de servir para la locomocin y elesfuerzo, tambin son la fuente de aminocidos en situaciones de estrs. No obstante, la protenamuscular no es un depsito como el glucgeno o la grasa, ya que su prdida representa una prdidade protena funcional. La protena contenida en los tejidos viscerales, tales como el hgado y elintestino, representa aproximadamente el 10% del total corporal y no se moviliza en situaciones deestrs, al contrario de lo que ocurre con la protena muscular, con objeto de preservar sus funcionesvitales.

Otra fraccin importante de la protena, aproximadamente un 30%, est contenida en la sangre y lapiel. Algunas protenas estructurales, como el colgeno, se preservan en situaciones de malnutricin,no a causa de su funcin esencial, sino precisamente para preservar la estructura corporal demanera que no resulte degradada.

Las protenas y los aminocidos son sustancias nicas en cuanto a la proporcin de nitrgeno. Loscidos nucleicos y otros compuestos, como los aminoazcares, son tambin sustancias nitrogenadaspero su contenido nitrogenado es muy inferior. Las protenas tienen un contenido medio de nitrgenodel 16% (factor de conversin de nitrgeno a protena 100/16 = 6,25). Dado que el nitrgeno esrelativamente fcil de medir, los cambios en la masa proteica corporal puede estimarse por ladiferencia entre la ingesta de nitrgeno en la dieta y la cantidad de nitrgeno excretado. A estadiferencia se la conoce como balance nitrogenado. Cuando el balance nitrogenado es positivo, existecrecimiento tisular neto; cuando la excrecin es superior a la ingesta, tal y como ocurre en el ayunoo en situaciones de enfermedad, hay prdida de protena corporal.


Al contrario de lo que ocurre con las protenas, los cidos nucleicos contenidos en la dietarepresentan una fraccin pequea del nitrgeno total ingerido (entre 300 y 500 mg/da de basespricas y, aproximadamente, la misma cantidad de bases pirimidnicas). Los cidos nucleicos no seconsideran macronutrientes en sentido estricto, ya que en gran medida son metabolizados en elintestino y no se utilizan como combustibles metablicos. No obstante, una parte muy significativade los nuclesidos y bases procedentes de la hidrlisis de los cidos nucleicos, junto a pequeascantidades de nuclesidos procedentes de nucletidos libres presentes en los alimentos, sonabsorbidos por el intestino, distribuidos a otros tejidos y utilizados metablicamente para labiosntesis de nuevos nucletidos.

En los ltimos 25 aos se han obtenido evidencias de funciones importantes para los nucletidos dela dieta, especialmente como moduladores del metabolismo lipdico, en la proliferacin y reparacintisular y en la modulacin del sistema inmune.


2.5.4. Vitaminas y minerales

Las vitaminas se definen como compuestos orgnicos que es necesario ingerir con la dieta enpequeas cantidades para mantener las funciones corporales fundamentales (crecimiento, desarrollo,metabolismo e integridad celular). Esta definicin distingue las vitaminas de los macronutrientes, yaque no son catabolizadas para obtener energa y no se utilizan para propsitos estructurales; portanto, las vitaminas se necesitan en cantidades mucho ms pequeas que los hidratos de carbono,los lpidos y las protenas. Las vitaminas se distinguen de los minerales, que tambin se requieren encantidades menores que los nutrientes utilizados con fines energticos, por su naturaleza orgnica,frente a la inorgnica de los minerales.

Los efectos curativos de ciertos alimentos se han conocido desde la antigedad; as, el hgado deanimales era recomendado por los egipcios para la curacin de la ceguera nocturna, hace casi tressiglos se descubri el efecto de los frutos ctricos en el escorbuto y hace siglo y medio el efecto de lacarne, la leche y las verduras en la erradicacin del beri-beri de los marineros japoneses,alimentados en gran medida a base de arroz descascarillado. Durante el siglo XX se han aislado,identificado y sintetizado 13 vitaminas, y se ha determinado su mecanismo de accin, aunque paraalgunas de ellas existen lagunas sobre su actuacin en procesos biolgicos especficos.

Las vitaminas incluyen ocho sustancias del denominado complejo B (tiamina, riboflavina, piridoxina,niacina, cobalamina, folato, biotina y cido pantotnico), la vitamina C o cido ascrbico, y lasvitaminas liposolubles A, D, E y K. Algunas de ellas no son estrictamente esenciales; as, la vitaminaD es sintetizada por la piel expuesta a la luz solar y la niacina se sintetiza a partir de triptfano. Lamayor parte de ellas no se relacionan qumicamente y difieren en sus funciones biolgicas.

Todas las vitaminas B, la vitamina C y la vitamina K reducida se requieren como coenzimas o comocomponentes de coenzimas y participan en numerosas reacciones metablicas. Las otras funciones delas vitaminas son ms variadas. La vitamina D es el precursor del 1,25 dihidroxicolecalciferol, uncompuesto esencial en el desarrollo y modelado del tejido seo y en numerosas funciones celularesde otros tejidos.

La vitamina A se requiere para la formacin del cido todo-trans-retinoico que regula la proliferaciny diferenciacin de varios tejidos, y en la forma de 11-cis-retinal acta como pigmento visual. Lavitamina E acta como un antioxidante lipdico y la vitamina C como un antioxidante en sistemashidroflicos.

De entre los aproximadamente 90 elementos minerales que se encuentran de forma natural en lanaturaleza, 22 parecen ser esenciales para el ser humano. Los minerales se requieren en cantidadesrelativamente pequeas y para funciones muy especializadas. No obstante, algunos de ellos,considerados como macroelementos (Ca, P, Mg, Na, K, Cl y S) se necesitan en cantidades diarias dems de 100 mg por el adulto. Los requerimientos de S se satisfacen a travs de la ingesta deaminocidos azufrados, de ah que no se considere usualmente con los elementos minerales. Losmicroelementos u oligoelementos pueden clasificarse en dos grupos: los elementos traza, que senecesitan en cantidades que oscilan entre 1 y 100 mg/da y los elementos ultratraza cuya ingestadiaria es inferior a 1 mg. Los elementos traza incluyen Fe, Zn, Mn, Cu y F, y los elementos ultratrazaSe, Mo, I, Cr, B y Co. Existen ciertas evidencias, obtenidas en estudios experimentales en animales,de que los metales As, Ni, V y Si pueden ser necesarios para algunas funciones fisiolgicas, aunqueno se ha demostrado que sean esenciales para la especie humana.

Los minerales desempean una serie variada de funciones en el organismo. El depsito de Ca, P, Mgy F en la hidroxiapatita es esencial para la formacin de hueso. Asimismo, el Ca es considerado unimportante segundo mensajero en la comunicacin celular. El Na, el K y el Cl, as como el Ca, el Mg,el sulfato y el fosfato, son electrlitos importantes implicados en el equilibrio inico y osmtico y en


los gradientes elctricos.

Muchos de los oligoelementos se encuentran asociados a enzimas y a otras protenas en las cualesestos metales actan como elementos estructurales o catalticos. Ejemplos de estas asociaciones sedan con el Zn, que contribuye al mantenimiento de la estructura terciaria de varias enzimas yfactores de transcripcin gnica, con el Fe en el mantenimiento de la estructura de la mioglobina, dela hemoglobina y de varios citocromos, con el Cu en el mantenimiento de la estructura de citocromosy de la superxido dismutasa y con el Se como elemento cataltico de la glutation peroxidasa.

Algunos minerales se necesitan para la sntesis de compuestos especializados, como el I para lashormonas tiroideas, el Se para la selenocistena en la sntesis de las selenoprotenas y el Mo para lasntesis de un cofactor orgnico necesario en variasenzimas de los mamferos.


2.6. Equilibrio y balance de nutrientes

El patrn de ingesta energtica a travs de los alimentos en el ser humano es espordico, ya quese toman cantidades discretas de los mismos, que se digieren, se absorben y se distribuyen por lacirculacin sangunea en periodos concretos.

Por tanto, el organismo debe ser capaz de tomar los macronutrientes y almacenarlos, al menos enparte, y oxidarlos cuando sea necesario. Esto requiere mecanismos precisos de regulacin delsuministro de combustible ya que, al contrario de lo que ocurre con una mquina simple, en el serhumano existen varios tipos de combustible y cada rgano o tejido no utiliza los mismos.

No todos los combustibles metablicos estn disponibles al mismo tiempo para los tejidos, y lautilizacin de combustibles exgenos o endgenos debe estar equilibrada y regulada para mantenerel buen funcionamiento del organismo u homeostasis. Los combustibles mayoritarios en el organismohumano son la glucosa, los cidos grasos, los aminocidos y los cuerpos cetnicos, aunque ellactato, el glicerol y el alcohol pueden ser tambin fuente de energa para algunos tejidos endeterminadas circunstancias (Tabla 1).

Tabla 1. Principales combustibles metablicos utilizados por diferentes tejidos

Tejido Combustible utilizado Combustible liberado

Cerebro GlucosaCuerpos cetnicos

Lactato (slo en ayunoprolongado)

Corazn cidos grasos libresTriglicridosGlucosaCuerpos cetnicosLactato

Eritrocitos Glucosa Lactato

Hgado Glucosacidos graso libresGlicerolLactatoAlcoholAminocidos (parcialmente)

GlucosaLactato (fase absortiva)TriglicridosCuerpos cetnicos

Intestino delgado GlucosaGlutamina

GlucosaAminocidosLpidos

Msculo esqueltico Glucosacidos grasos libresTriglicridosAminocidos de cadenaramificada

LactatoAlaninaGlutamina

Rin Glucosacidos grasos libresCuerpos cetnicosLactatoGlutamina

Glucosa (slo en ayunoprolongado)

Tejido adiposo GlucosaTriglicridos

LactatoGlicerolcidos grasos libres

Cuando el alimento es abundante, la energa que excede a las necesidades actuales se almacena enforma de glucgeno y de triglicridos (grasa). Cuando no existe disponibilidad de alimentos, laenerga almacenada es utilizada para satisfacer las necesidades actuales de manera que se debe decumplir la ecuacin siguiente:

Depsitos de energa corporal =ingesta energtica - gasto energtico

Esta ecuacin responde al concepto de equilibrio de nutrientes, tambin denominado balance denutrientes (Figura 1).

Figura 1. Balance de macronutrientes

El equilibrio cero indica que el aporte de energa derivada de los nutrientes est equilibrado con suutilizacin y que los depsitos corporales permanecen constantes. El balance positivo ocurre cuandola ingesta excede a la utilizacin y el almacn se expande; por el contrario, el balance negativo tienelugar cuando la utilizacin energtica es mayor que el aporte y los depsitos comienzan a vaciarsellegando incluso a la deplecin completa.

En relacin con el metabolismo de los macronutrientes, el concepto de equilibrio o balance se aplicaespecialmente a las protenas y a la energa. Sin embargo, la consideracin del equilibrio aplicado acada uno de los macronutrientes por separado es muy til en condiciones de composicin alterada dela dieta, por ejemplo, en situaciones de utilizacin de dietas con bajo contenido de grasa o dehidratos de carbono (Tabla 2).

Tabla 2. Almacenamiento de macronutrientes en relacin a la ingesta diaria

Macronutriente Cantidadcorporal

(kg)

Energacorporal(Mj)

N daspara

agotar eldepsito

Ingestadiaria (g)

Ingesta diaria(% de lo

almacenado

Hidratos de carbonoGrasaProtena

0.512-1812

8.5550200


Figura 2. Utilizacin global de los macronutrientes por el organismo humano. Las cifras se refieren aun hombre de 70 kg de peso

Animacin: Balance de macronutrientes



2.7. Recambio metablico de los nutrientes

Aunque la composicin corporal pueda parecer constante, ello no significa que las partesconstituyentes permanezcan estticas. De hecho, la mayora de los sustratos metablicos estnsiendo continuamente utilizados y reemplazados (recambio o turnover ). Este proceso de recambio seilustra al considerar el metabolismo proteico corporal. La ingesta proteica diaria de un adulto oscilaentre 50 y 100 g y la proporcin de excrecin urinaria de nitrgeno equilibra la ingesta proteica. Sinembargo, la proporcin de protena degradada, medida isotpicamente, es del orden de 350 g. Estose equilibra con una sntesis diaria de protena equivalente a partir de aminocidos preexistentesderivados de la degradacin (recambio), ms que a partir de la sntesis de novo a partir deaminocidos de la dieta.

El recambio metablico ocurre tambin con otros nutrientes como la glucosa, cuyo contenido ensangre permanece relativamente constante y en equilibrio a travs de la sntesis heptica y lautilizacin por otros tejidos.

El concepto de recambio puede aplicarse a varios niveles dentro del organismo (molecular, celular,tejidos, rganos y corporal). As, la concentracin de compuestos ricos en energa, especialmente ATP(ver apartado 3.1.1), se mantiene prcticamente constante dentro de cada clula a travs delequilibrio entre sntesis e hidrlisis.

Por otra parte, dentro de cada tejido u rgano existe un recambio continuo de clulas. Algunas deellas tienen una vida media larga como los eritrocitos (120 das), mientras que otras tienen una vidamedia de tan slo 8-10 das, como las plaquetas. La principal ventaja de este proceso de recambioes que el organismo es capaz de responder rpidamente a los cambios de estado metablicoalterando tanto la sntesis como la degradacin para conseguir la respuesta necesaria.

Como consecuencia de este proceso de recambio existe un coste elevado de energa para mantenerel proceso continuo de sntesis de macromolculas; adems, la posible alteracin entre lasproporciones de sntesis y de degradacin puede conducir a la disfuncin orgnica.

Por otra parte, las consecuencias de la reduccin en la sntesis de sustratos vara dependiendo de lavida media de los nutrientes, muy variable en el caso de las protenas, ya que dependefundamentalmente de la propia secuencia de aminocidos y de la regulacin de la expresin gnica.



2.8. Flujo de nutrientes a travs de las vas metablicas

El flujo de un nutriente a travs de una va metablica supone una medida de la actividad de dichava. Por ejemplo, si se considera el flujo de glucosa desde la sangre hasta los tejidos, la tasa deutilizacin es aproximadamente de 2 mg/kg de peso corporal por minuto. Sin embargo, ello noconduce a una disminucin en la concentracin de glucosa, porque la utilizacin es compensada conla produccin de glucosa por el hgado de manera que el flujo neto es cero. Este concepto de flujopuede aplicarse a nivel celular, tisular o corporal, y tambin puede relacionarse con la conversin deun sustrato metablico o nutriente en otro. Sin embargo, el flujo no se relaciona necesariamente conel tamao de un pool metablico o con una va determinada. Por ejemplo, la membrana celular tienevarios tipos de fosfolpidos, cada uno de los cuales tiene un perfil de cidos grasos diferente y laproporcin de cido araquidnico que se recambia en cada fosfolpido es tambin diferente.


2.9. Pools de nutrientes y metabolitos

Un aspecto importante del metabolismo es que los nutrientes y metabolitos estn presentes envarios pools en el organismo. Al nivel ms simple, para un metabolito dado existen tres pools:precursor, funcional y de almacenamiento. La Figura 3 muestra los tipos de pools de nutrientes y demetabolitos en el organismo humano.

Figura 3. Tipos de pools de nutrientes y de metabolitos en el organismo humano

El pool precursor provee el sustrato a partir del cual se puede sintetizar un nutriente o metabolito.Por ejemplo, en relacin con la sntesis de los eicosanoides, los cidos grasos esenciales linoleico ylinolnico, provenientes exclusivamente de la dieta, representan el pool precursor para los cidosgrasos poliinsaturados de cadena larga, presentes en cantidades relativamente elevadas en lasmembranas celulares. El pool funcional para la sntesis de eicosanoides seran los cidoseicosatrienoico, araquidnico e eicosapentaenoico liberados de los fosfolpidos de las membranasmediante el estmulo de una seal extracelular, que desencadenara la formacin de eicosanoides alactivarse la ciclooxigenasa, una enzima clave en el proceso. El pool de almacenamiento estararepresentado por el contenido de dichos cidos grasos en los fosfolpidos de las membranas.

No todos los nutrientes disponen de estos tres tipos de pool. As, los nutrientes esenciales y losminerales y oligoelementos no disponen de un pool precursor, ya que necesariamente deben seringeridos con la dieta. Sin embargo, muchos de ellos disponen de pools de almacenamiento, lo queexplica que estos compuestos no disminuyan su concentracin en el plasma sanguneo por el ayuno.

Otro ejemplo de cmo el concepto de los pools ayuda a comprender la nutricin y el metabolismo esel pool intracelular de aminocidos. ste es el pool funcional a partir del cual se sintetizan lasprotenas en una clula; conforme este pool va disminuyendo, debe de irse rellenando o la sntesisde protenas cesara. Para ello, adems del flujo de entrada de aminocidos desde el exterior celular,


existe una tasa considerable de degradacin de protenas que permite suministrar aminocidos,especialmente esenciales, en cantidades adecuadas para que se alcance el equilibrio.

El tamao de los pools vara sustancialmente para cada nutriente o metabolito. Al estudiar lasactividades de los diferentes procesos metablicos en el organismo, es a menudo necesario medir oestimar el tamao de los pools con objeto de obtener informacin sobre la importancia cuantitativade dichos procesos.

As, la evaluacin del estado nutricional para un nutriente determinado implica, con frecuencia,determinar su concentracin plasmtica, o en alguna fraccin del plasma, en eritrocitos, en clulasdel sistema inmune, o incluso en algn otro tejido obtenido por biopsia, muestras de saliva, clulasbucales, pelo, uas, orina, etc.

El conocimiento del comportamiento de un nutriente en diferentes pools es crtico para establecer elestado nutricional de ese compuesto. Por ejemplo, los niveles de folato en el plasma varan deacuerdo con la ingesta cercana de alimentos y, por consiguiente, estn sometidos a fluctuacionesimportantes. Sin embargo, las concentraciones de folato en los eritrocitos son un buen marcador dela ingesta a largo plazo de esta vitamina, ya que dichas clulas no tienen ncleo y no disponen deenzimas que lo metabolicen. Otro ejemplo lo constituye la forma libre de muchos minerales yoligoelementos potencialmente txicos, presentes en el plasma en concentraciones reguladas muyestrictamente. Por esta razn, los niveles en el plasma de muchos elementos minerales no sonbuenos marcadores del estado nutricional y se recurre a la medida de otros pools.



2.10. Adaptaciones metablicas a la ingesta alterada de nutrientes

En muchas circunstancias, el organismo es capaz de responder a estados nutricionales o metablicosalterados con objeto de minimizar las consecuencias de tales alteraciones. As, en un proceso dedesnutricin, la ingesta de hidratos de carbono no se corresponden con las necesidades corporales, yla primera adaptacin a este ambiente alterado es el incremento de la produccin de glucosamediante un aumento del proceso de gluconeognesis a partir de aminocidos provenientes de ladegradacin muscular.

Inevitablemente, esta adaptacin implica otras dos adaptaciones: el uso por el cerebro de otroscombustibles alternativos a la glucosa, como son los cuerpos cetnicos, y la disminucin general delgasto energtico en reposo, con objeto de establecer un nuevo equilibrio metablico. El desmedro delos nios con malnutricin proteica y proteico-energtica es un ejemplo de esta adaptacin, en laque el resultado final es un fallo de crecimiento. En muchas ocasiones, la proporcin de absorcin denutrientes puede aumentar como un mecanismo adaptativo frente a la ingesta disminuida. Algunasadaptaciones pueden ocurrir durante un periodo de tiempo en espera de que la ingesta normal de unnutriente se normalice. De hecho, la adaptacin a circunstancias metablicas y nutricionales adversases una situacin asociada a la capacidad de supervivencia de nuestra especie.



3. Metabolismo energtico y metabolismo intermediario

Como se ha indicado en el apartado 2.1, se conoce con el nombre de metabolismo a lastransformaciones qumicas que sufren los nutrientes en los tejidos, una vez superados los procesosde digestin y absorcin correspondientes.

Es clsico distinguir entre metabolismo energtico y metabolismo intermediario, aunque se tratade dos partes del mismo proceso.

Los aspectos energticos del metabolismo se refieren a la produccin y utilizacin de energa en lasvas metablicas, mientras que el metabolismo intermediario est constituido por el estudio detalladode dichas vas.



3.1. Metabolismo energtico

3.1.1. Compuestos "ricos en energa"

3.1.2. Fosforilacin oxidativa

3.1.3. Fosforilacin a nivel de sustrato

3.1.4. Almacenamiento de energa


3.1.1. Compuestos "ricos en energa"

Una funcin importante de algunos nutrientes, concretamente los macronutrientes, hidratos decarbono, grasas y protenas, es la de suministrar la energa necesaria para permitir elfuncionamiento del organismo.

Sin embargo, los tejidos no pueden utilizar directamente la energa contenida en las citadasmacromolculas nutricionales. Por ello, los macronutrientes deben sufrir distintos procesosmetablicos para producir finalmente una molcula nica, el adenosn trifosfato (ATP), en cuyosenlaces se almacena parte de dicha energa. Posteriormente, este compuesto es el que suministraenerga para cualquier trabajo celular.

El ATP es un nuclesido trifosfato. Los dos enlaces pirofosfato que contiene producen una grancantidad de energa cuando se hidrolizan (y la necesitan igualmente para formarse). Las reaccionesms caractersticas de esta molcula se especifican en la Figura 4.

Figura 4. Estructura qumica y reacciones ms caractersticas del ATP

El ATP es el prototipo de lo que se suelen denominar compuestos "ricos en energa". Se tratasiempre de compuestos que liberan una importante cantidad de energa cuando se rompendeterminados enlaces, generalmente por hidrlisis. Por eso se suele hablar tambin en estos casosde "energa de hidrlisis". En el caso del ATP, la rotura hidroltica de cualquiera de sus enlacespirofosfato libera una energa superior a 7 kcal por mol (7,3 para la produccin de ADP a partir deATP y 8,2 para la produccin de AMP a partir de ATP). De una manera muy simple se puede explicaresta liberacin de energa, porque los productos resultantes de la hidrlisis son mucho ms establesque el compuesto original.


Lgicamente, las molculas estructuralmente similares al ATP, como lo son los dems nuclesidosdifosfato, se comportan energticamente de la misma forma, proporcionando las mismas cantidadesde energa. En cualquier caso, estos compuestos se utilizan poco en las reacciones metablicas,siendo el GTP el ms utilizado. Concretamente, como se ver ms adelante, se forma GTP en unaetapa del ciclo de Krebs y se utiliza GTP en una de las reacciones de la gluconeognesis.

Es interesante subrayar que la energa slo se libera en cantidades importantes desde el ATP cuandola hidrlisis se realiza sobre los enlaces pirofosfato (formacin de ADP o AMP). La hidrlisis del enlacesiguiente, que no tiene ese carcter, proporciona una energa mucho menor. Por otra parte, lahidrlisis del propio pirofosfato inorgnico tambin produce una gran cantidad de energa.

Como se ha mencionado anteriormente, la hidrlisis del ATP se aprovecha para la realizacin de todoel trabajo celular, incluidas las reacciones metablicas que necesitan energa. En este tipo dereacciones no slo estn incluidas las que constituyen las vas biosintticas (vas anablicas), sinotambin algunas que forman parte de las vas degradativas (vas catablicas). Aunque estas ltimasrutas metablicas estn diseadas para originar energa, algunas etapas iniciales necesitan aporteenergtico. Como se ver, la metabolizacin de la glucosa exige en primer lugar la formacin deglucosa-6-fosfato; y la metabolizacin de los cidos grasos comienza por la formacin de los acil-CoA. Tanto la glucosa-6-fosfato como los acil-CoA son compuestos relativamente ricos en energa yslo pueden formarse si su sntesis se acopla a la hidrlisis del ATP.

Adems de los azcares-fosfato y de los acil-CoA, existen otros compuestos ricos en energa de graninters metablico. El 1,3 bisfosfoglicerato y el fosfoenolpiruvato son dos intermediarios glucolticoscuya energa de hidrlisis es superior a la del ATP, por lo que facilitan la sntesis de este ltimo(apartado 3.1.3). El creatnfosfato tiene una energa de hidrlisis un poco ms alta que la del ATP,por lo que se puede formar a partir de ste y regenerarlo posteriormente de acuerdo con lascondiciones celulares (apartado 3.1.4). Por ltimo, el carbamilfosfato tiene una energa de hidrlisissuperior a la del ATP y necesita la hidrlisis de dos molculas de ATP para su formacin. Este aportede energa es fundamental, ya que el carbamilfosfato tiene un papel clave en la sntesis de urea apartir de amoniaco y dixido de carbono. En la Tabla 3 se indica la energa libre de hidrlisis dealgunos de los compuestos que se acaban de describir.

Tabla 3. Energa libre de hidrlisis de algunos intermediarios meta

Compuesto Energa (kcal/mol)

FosfoenolpiruvatoCarbamilfosfato1,3 bisfosfogliceratoCreatnfosfatoATP (a ADP)Glucosa 6-fosfato

-14.8-12.3-11.8-10.3-7.3-3.3

De todo lo anterior se deduce fcilmente que el ATP ocupa un papel central en el metabolismoenergtico, de ah su identificacin como "moneda energtica" del organismo. La obtencin de ATP apartir de los nutrientes puede hacerse por dos vas diferentes:

a) Con el concurso del oxgeno: fosforilacin oxidativa.

b) Sin el concurso del oxgeno: fosforilacin a nivel de sustrato.


3.1.2. Fosforilacin oxidativa

Mediante esta va, los macronutrientes sufren un proceso de oxidacin que se puede resumir en dosfases.

En primer lugar, se obtienen coenzimas reducidas, especialmente NADH y FADH2. Estas coenzimasderivan de vitaminas hidrosolubles (niacina y riboflavina, respectivamente). La reduccin de estascoenzimas supone la utilizacin del hidrgeno de los nutrientes. Por ello, las grasas originan unamayor cantidad de coenzimas reducidas, ya que los cidos grasos contienen en sus molculas unamayor proporcin de hidrgeno que los hidratos de carbono o las protenas. Como se describir en elapartado siguiente, la formacin de las coenzimas reducidas se puede realizar en diversas etapas delmetabolismo, pero la fuente principal es el ciclo de Krebs.

Estas coenzimas reducidas se incorporan a las cadenas respiratorias mitocondriales. En estascadenas, los electrones de las coenzimas reducidas se transfieren hasta el oxgeno. La reduccin finaldel oxgeno molecular ingresado por la respiracin produce agua y la energa resultante se utilizapara sintetizar ATP mediante el proceso de la fosforilacin oxidativa, que est acoplado a la cadenade transporte electrnico (Figura 5).

Figura 5. Fosforilacin oxidativa (respiracin)

Ampliar animacin: Cadena transportadora de electrones y fosforilacin oxidativa

a) Cadenas de transporte electrnico

Las cadenas de transporte electrnico estn constituidas por diversas molculas (flavoprotenas,

coenzima Q, citocromos, etc.) que se disponen en la membrana interna mitocondrial ordenadas deacuerdo con sus potenciales de xido-reduccin (desde los ms negativos hasta los ms positivos).De esta forma, la energa se obtiene de forma escalonada, lo que permite su aprovechamientobiolgico.

La mayora de los transportadores estn incluidos en cuatro agrupaciones o complejos fijos, mientrasque hay dos transportadores libres o mviles (coenzima Q y citocromo c) (Figura 6).

Figura 6. Componentes de la cadena respiratoria

El complejo I (denominado NADH-coenzima Q reductasa) est constituido por flavoprotenas yferrosulfoprotenas. Estas ltimas contienen centros hierro-azufre de tal manera que el tomo dehierro puede aceptar o donar electrones, como los citocromos (ver ms adelante). Las flavoprotenascontienen FMN (flavn mononucletido), que es un derivado de la riboflavina, capaz de transportarhidrgeno. De esta forma funcionan como intermediarios en el transporte de hidrgeno desde elNADH hasta la coenzima Q. Este complejo constituye la entrada principal de equivalentes dereduccin, ya que las molculas de NADH proceden de una gran cantidad de reacciones de xido-reduccin.

El complejo II (succinato-coenzima Q reductasa) est constituido igualmente por flavoprotenas yferrosulfoprotenas. En este caso, las flavoprotenas contienen FAD (flavn-adenn dinucletido) ytienen carcter enzimtico. Concretamente, poseen actividad succinato deshidrogenasa, ya que setrata de la enzima que cataliza una de las etapas del ciclo de Krebs (ver ms adelante). En estareaccin, el succinato pasa a fumarato y el FAD se reduce a FADH2. Este complejo constituye, portanto, la entrada de esta coenzima reducida procedente de la citada reaccin. Adems, constituyetambin la puerta de entrada de otras molculas de FADH2 procedentes de la actividad de otrasenzimas catablicas. En este caso, la transferencia hasta la coenzima Q se realiza directamente atravs de las ferrosulfoprotenas.

La coenzima Q (llamada tambin ubiquinona) es un derivado de la benzoquinona que contiene unalarga cadena isoprenoide (Figura 7).

Figura 7. Estructura qumica de la coenzima Q (ubiquinona) en su forma oxidada

Su constitucin qumica le permite tener una forma oxidada con grupos ceto (quinona) y una formareducida con grupos hidroxilo (hidroquinona). La cadena isoprenoide y su pequea masa molecularfacilitan su movilidad dentro de la membrana interna mitocondrial, permitiendo la conexin con loscomplejos I, II y III.

El complejo III (coenzima Q-citocromo c reductasa) est constituido por citocromos (citocromos b ycitocromo c1) y ferrosulfoprotenas. Los citocromos son protenas unidas a grupos hemo. En estecaso, el transporte desde la coenzima Q hasta el citocromo c ya no se realiza con tomos dehidrgeno, sino mediante cambios en el estado del in hierro, desde el estado frrico oxidado (+3)hasta el estado ferroso reducido (+2).

El citocromo c es de pequeo peso molecular y muy hidroflico, por lo que presenta una granmovilidad en la fase citoslica de la membrana interna mitocondrial.

El complejo IV (citocromo c oxidasa) est constituido tambin por citocromos (citocromo a ycitocromo a3) y por iones de cobre. El transporte de electrones se realiza desde el citocromo c hastael oxgeno molecular.

La reduccin del oxgeno molecular se traduce en la formacin de agua. Para ello, se necesitantomos completos de hidrgeno y no solamente electrones. En efecto, a partir del complejo III se hadescrito un flujo de electrones en lugar de un transporte de hidrgeno. Aunque el proceso es muchoms complicado, se puede decir que al llegar los hidrgenos al complejo III hay una disociacin delos tomos de hidrgeno en electrones y protones. Los electrones se transportan a travs de loscomplejos III y IV y los protones vuelven a coincidir con los electrones en la reduccin del oxgeno.Es interesante resaltar, por otra parte, que la reduccin de una molcula de oxgeno (O2) exige latransferencia de cuatro electrones y cuatro protones para la formacin de dos molculas de agua(2H2O). El proceso no transcurre exactamente as, sin embargo, ya que se producen tambin ciertas

cantidades de especies como el in superxido (O2.-), formado por la llegada de un solo electrn.Esta molcula es lo que se denomina un radical libre, muy reactivo

b) Formacin de ATP.El transporte de electrones desde las coenzimas reducidas hasta el oxgenogenera una gran cantidad de energa. El mecanismo para transformar esta energa en molculas deATP ha sido un misterio durante mucho tiempo. Hoy se acepta que para realizar esta sntesis de ATP

se utiliza un mecanismo quimiosmtico que se puede describir de la siguiente forma (Figura 8):

Figura 8. Mecanismo de la produccin de ATP por fosforilacin oxidativa y protenas desacoplantes(UCP)

- La energa de xido-reduccin originada por el transporte electrnico se utiliza para bombearprotones al exterior de la membrana interna mitocondrial.

- Los protones van acumulndose en el exterior de esta membrana, crendose un gradienteprotnico.

- Existen unos canales en la membrana por los que los protones pueden volver a entrar al interiormitocondrial, siendo el resto de la membrana impermeable a ellos.

- La energa generada por la fuerza del movimiento de protones es aprovechada por un complejoenzimtico (ATP sintasa) situado en estos canales para sintetizar el ATP a partir de ADP y fosfato.

En la membrana interna de las mitocondrias del tejido adiposo marrn existen unas protenasdenominadas termogeninas que permiten tambin la entrada de protones al interior mitocondrial,pero que no estn conectadas con la ATP sintasa. Por ello, la fuerza del movimiento de protones nose utiliza en este caso para sintetizar ATP, sino que se disipa en forma de calor. ste es elmecanismo que utiliza este tejido para cumplir su funcin termognica. Aunque la cantidad de tejidoadiposo marrn es muy pequea en el ser humano adulto, es interesante resaltar que existentambin protenas semejantes en otros tejidos (tejido adiposo blanco, msculo, etc.). A todas estasprotenas se les denomina genricamente UCP (Uncoupler Proteins: protenas desacoplantes) y estnimplicadas en la regulacin del balance energtico.Ca

c) Transporte de ATP La mayor parte del ATP sintetizado en la mitocondria se utiliza en el espacioextramitocondrial. Pero la membrana mitocondrial no permite el transporte pasivo de las molculascomo el ATP, fuertemente cargadas. Inversamente, el ADP procede fundamentalmente del exteriormitocondrial y tiene que entrar en la mitocondria para poder pasar a ATP. Y tampoco el ADP puedetransportarse de forma pasiva. Para que el ADP pueda entrar y el ATP pueda salir de la mitocondria,existen unas protenas transportadoras (ATP-ADP translocasas) que permiten el intercambio de estosnucletidos con el correspondiente gasto energtico.

d) Rendimiento energticoParece bien establecido que se necesita el flujo de tres protones por la


ATP sintasa para generar una molcula de ATP a partir de ADP y fosfato. El transporte adicional delATP hacia el exterior mitocondrial y la entrada a la mitocondria del ADP exige el flujo por la ATPsintasa de otro protn. Se calcula que el transporte electrnico a partir de una molcula de NADHorigina el bombeo de 10 protones. Por tanto, el resultado neto de la oxidacin del NADH sera laproduccin de 2,5 molculas de ATP (aunque tradicionalmente se haba estimado que era de 3). Laoxidacin del FADH2 procedente del succinato o de las dems reacciones que se canalizan a travsdel complejo II origina slo 1,5 molculas de ATP (antes, 2).


3.1.3. Fosforilacin a nivel de sustrato

Un mecanismo menos importante para obtener ATP es la fosforilacin a nivel de sustrato, procesoque no necesita oxgeno y que generalmente se asocia a la fermentacin.

En el organismo humano, la fermentacin consiste en la formacin de cido lctico a partir deglucosa. En este caso, hay una xido-reduccin interna, de modo que los productos de lafermentacin estn globalmente al mismo nivel de reduccin que el nutriente del que proceden, porlo que conservan todava un gran potencial energtico. As, en la fermentacin lctica, caractersticadel trabajo muscular exhaustivo, el producto final, cido lctico, tiene un carbono al mismo nivel dereduccin que la mayora de los carbonos de la glucosa inicial (CHOH-), mientras que el carbonocarboxlico est ms oxidado y el carbono metlico est ms reducido (Figura 9).

Figura 9. Fosforilacin a nivel de sustrato (fermentacin)

Como se ha mencionado anteriormente, la produccin de energa durante este proceso se lleva acabo mediante la formacin de intermediarios con enlaces ricos en energa de hidrlisis: el 1,3 bis-fosfoglicerato y el fosfoenol-piruvato. En ambos casos, su hidrlisis est acoplada a la sntesis deATP. Por eso se habla de fosforilacin "a nivel de sustrato".

La fermentacin extrae mucha menos energa de los nutrientes que la respiracin. En trminoscuantitativos, la glucosa produce aproximadamente quince veces ms ATP por fosforilacin oxidativaque por fosforilacin a nivel de sustrato. La ventaja de este ltimo proceso es que no depende deloxgeno y que es muy rpido. De ah, su adecuacin a la contraccin muscular en el trabajoanaerobio, ya comentada. Por otra parte, conviene resaltar que el producto final de la fermentacin,


el cido lctico, puede ser aprovechado todava por va energtica, aunque en otros tejidos:directamente (como ocurre en el msculo cardiaco) o tras su conversin en glucosa por el hgado.


3.1.4. Almacenamiento de energa

Como se ha indicado anteriormente, el ATP es directamente utilizable para las necesidades delorganismo: generacin de impulsos nerviosos, trabajo muscular, transporte a travs de membrana,biosntesis de macromolculas, etc. Este compuesto Figura 9.

Figura 9. Fosforilacin a nivel de sustrato (fermentacin)

Fosforilacin a nivel de sustrato (fermentacin). energtico no se almacena, sino que tiene queformarse al mismo tiempo que se utiliza. Sin embargo, en algunos tejidos, especialmente en el tejidomuscular, donde los requerimientos energticos pueden ser muy grandes en un momentodeterminado, existe la posibilidad de almacenar una sustancia que se transforma muy fcilmente enATP y viceversa: el creatnfosfato (Figura 10).


Figura 10. Formacin reversible de creatn-fosfato a partir de creatina y de ATP

Este compuesto es la forma fosforilada de la creatina, una molcula nitrogenada que deriva de losaminocidos arginina, glicina y metionina. Los niveles de energa que se necesitan para fosforilar lacreatina son un poco superiores a los que se necesitan para sintetizar ATP. Por ello, slo se podrsintetizar creatn-fosfato si existe una gran cantidad disponible de ATP, de acuerdo con lascondiciones fisiolgicas ("pltora energtica").

En cambio, la degradacin del creatn-fosfato se producir en cuanto las circunstancias sean inversas(necesidad de energa). Por ello, una cierta cantidad de la energa del ATP puede almacenarse en lasclulas mediante la formacin de creatn-fosfato. La hidrlisis posterior de este compuesto originauna cantidad limitada de ATP de rpida utilizacin. Con esta excepcin, la imposibilidad de almacenarATP obliga a su obtencin inmediata a partir de los nutrientes energticos circulantes y de losdepsitos de glucgeno o triglicridos.

Desde el punto de vista energtico, el almacenamiento de triglicridos es mucho ms favorable queel de hidratos de carbono. Como se ha comentado anteriormente, las grasas son ms ricas enhidrgeno, por lo que generan proporcionalmente mucha ms energa que los hidratos de carbono.Por otra parte, el glucgeno es una macromolcula muy ramificada que ocupa mucho espacio celulary que, adems, al contrario de lo que ocurre con los triglicridos, se acompaa de una gran cantidadde agua. El glucgeno es fundamental, sin embargo, porque se hidroliza a glucosa de forma muyrpida, lo que facilita el mantenimiento de la glucemia en los periodos interdigestivos.



3.2. Metabolismo intermediario

El metabolismo, como ya se ha indicado, incluye el anabolismo y el catabolismo. Se denominan vaso rutas catablicas a las series de reacciones por las que las grandes molculas se degradan enmolculas ms sencillas, con generacin directa o indirecta de energa. Las vas o rutas anablicasson los procesos de sntesis de macromolculas a partir de dichas molculas simples y requierenaporte energtico. Ciertas vas metablicas pueden considerarse tanto degradativas comobiosintticas por lo que reciben el nombre de anfiblicas.


3.2.1. Fases del metabolismo intermediario

Es muy til considerar tres grandes fases en las rutas centrales del metabolismo intermediario(Figura 11).

Figura 11.Las tres grandes fases del metabolismo

Fase I. Relaciona las macromolculas (protenas, polisacridos y triglicridos) con las molculassimples correspondientes (aminocidos, hexosas, cidos grasos y glicerol).

La obtencin de molculas simples a partir de macromolculas se realiza a nivel digestivo paraposibilitar la absorcin de azcares, aminocidos, y cidos grasos y glicerol. En los dems territoriosdel organismo, estos procesos tienen un significado diferente. La sntesis de triglicridos (hgado ytejido adiposo) y glucgeno (hgado y msculo) se produce con fines de almacenamiento de energa.

Posteriormente, esta energa podr utilizarse por los distintos tejidos tras los procesos hidrolticoscorrespondientes y la formacin de nuevo de glucosa, cidos grasos y glicerol. Es interesantedestacar que la formacin de las macromolculas a partir de las molculas simples necesita el aporteenergtico del ATP. En cambio, el proceso contrario no produce energa, aunque posibilite suextraccin posterior.

En cuanto a las interconversiones aminocidos-protenas, se trata de un proceso muy diferente, enel que no existen en principio connotaciones energticas. La sntesis de protenas a partir deaminocidos se produce en todos los tejidos de manera continua, lo mismo que el procesoproteoltico inverso para garantizar el buen funcionamiento del organismo. Conviene aadir, sinembargo, que durante el ayuno se produce una importante protelisis muscular con finesgluconeognicos (ver ms adelante).


Fase II. Relaciona estas molculas simples con el acetil-CoA.

Los cidos grasos se utilizan en algunos tejidos (especialmente hgado y tejido muscular) con finesenergticos. La degradacin de los cidos grasos produce NADH, FADH2 y acetil-CoA. Las coenzimasreducidas pueden utilizarse directamente en las cadenas de transporte electrnico, mientras que elacetil-CoA necesita su metabolizacin posterior en la Fase III , que se detallar ms adelante.

La glucosa se utiliza en todos los tejidos como fuente energtica principal. En la mayor parte de loscasos, la metabolizacin de la glucosa transcurre por la va glucoltica, con produccin de NADH yacetil-CoA, que se metabolizar posteriormente en la Fase III. Sin embargo, en algunos tejidos(eritrocitos, cristalino, mdula renal y, especialmente, msculo esqueltico en condiciones deejercicio exhaustivo y, por tanto, de hipoxia) la gluclisis se realiza hasta lactato, obtenindose unacierta cantidad de ATP por fosforilacin a nivel de sustrato.

La utilizacin catablica de los aminocidos slo se produce en determinadas circunstanciasfisiolgicas, tales como el ayuno. Existen muchas vas metablicas distintas para esta metabolizacindada la diversidad estructural de los 20 aminocidos que constituyen las protenas. Algunas de estasvas conducen al acetil-CoA, como en los casos anteriores; en otros casos, el catabolismo de losaminocidos origina metabolitos de la gluclisis o del ciclo de Krebs.

Mientras que las vas catablicas de la fase II tienen un punto de convergencia que es la formacinde acetil-CoA, las vas anablicas correspondientes muestran ms diferencias. De hecho, slo labiosntesis de los cidos grasos se realiza a partir de dicho acetil-CoA. Para los otros casos se puedeestablecer de manera simplificada que los precursores para la sntesis de glucosa y aminocidos sonel piruvato (procedente de la gluclisis) y algunos metabolitos del ciclo de Krebs (-cetoglutarato yoxalacetato).

Aunque en el esquema representado en la Figura 11, las vas catablicas y anablicas transcurrende forma paralela, esto es slo una aproximacin didctica. En realidad, es cierto que algunasreacciones son reversibles y pueden funcionar en ambos sentidos. Sin embargo, la mayora de lasetapas de las vas catablicas y anablicas estn catalizadas por enzimas distintas. Incluso, enalgunos casos transcurren en territorios celulares diferentes, como se comentar ms adelante. Todoello permite una mejor regulacin fisiolgica.

Fase III. Est constituida por el metabolismo oxidativo del acetil-CoA, es decir, el ciclo tricarboxlico(ciclo de Krebs), cadena respiratoria y fosforilacin oxidativa. Desde el punto de vista catablico, estafase puede considerarse como la va final comn del aprovechamiento energtico de todos losnutrientes. Se trata, en principio, de una va exclusivamente catablica e irreversible. Sin embargo,como se ver ms adelante, algunos componentes del ciclo tricarboxlico se utilizan en las etapasiniciales de la biosntesis de glucosa, aminocidos o cidos grasos. Por eso, esas etapas seconsideran rutas anfiblicas.


3.2.2. Ciclo tricarboxlico(ciclo de Krebs)

El ciclo de Krebs est constitudo por 8 etapas enzimticas, algunas de ellas muy complejas, quetranscurren en la matriz mitocondrial (con la excepcin de la reaccin catalizada por la succinatodeshidrogenasa, que se produce en la propia membrana interna mitocondrial, junto a las cadenas detransporte electrnico) (Figura 12).

Figura 12. Ciclo de Krebs (ciclo de los cidos tricarboxlicos)

Si se considerara un ciclo cerrado, sin entradas ni salidas de intermediarios, podra resumirse sufuncionamiento como la combustin del resto acetilo del acetil-CoA, con produccin de dos molculasde dixido de carbono y varias coenzimas reducidas (tambin se produce GTP, que es equivalente y,por tanto, intercambiable con el ATP).

Ampliar animacin: Aspectos anfiblicos del ciclo de Krebs

a) Primera fase del ciclo de Krebs. Sntesis e isomerizacin del citrato.

La primera reaccin del ciclo tricarboxlico consiste en la condensacin de una molcula de acetil-CoAcon una molcula de oxalacetato para formar citrato. Posteriormente, el citrato se isomeriza aisocitrato (Figura 13).

Figura 13.Sntesis e isomerizacin del citrato. 1: Citrato sintasa; 2: Aconitasa

La primera reaccin est catalizada por la enzima citrato sintasa. No se requiere aporte energticoporque el acetil-CoA se hidroliza durante la reaccin, proporcionando la energa necesaria. Como seha comentado anteriormente (apartado 3.1.1), todos los acil-CoA contienen un enlace rico en energade hidrlisis (un tioster), cuya formacin necesit con anterioridad el correspondiente aporteenergtico. La reaccin siguiente consiste en la isomerizacin del citrato a isocitrato mediante laaccin cataltica de la aconitasa. Esta enzima deriva su nombre del cis-aconitato, un intermediario dela reaccin.

El citrato y el isocitrato tienen tres grupos carboxlicos, lo que justifica la denominacin de "ciclotricarboxlico" (en realidad, ciclo de los cidos tricarboxlicos).

b) Segunda fase del ciclo de Krebs. Descarboxilaciones oxidativas.

En esta segunda fase del ciclo de Krebs se producen sendas descarboxilaciones oxidativas conproduccin de coenzimas reducidas (Figura 14).

Figura 14. Descarboxilaciones oxidativas en el ciclo de Krebs. 1: Isocitrato deshidrogenasa; 2: -cetoglutarato deshidrogenasa

En la primera reaccin de esta fase tiene lugar la conversin del isocitrato en -cetoglutaratocatalizada por la isocitrato deshidrogenasa. Se produce la oxidacin del resto hidroxilo a carbonilocon generacin de coenzima reducida. Como consecuencia de la creacin del grupo carbonilo, elrestante carboxilo situado en posicin se pierde como dixido de carbono.

Existen dos formas isoenzimticas de la isocitrato deshidrogenasa (isoenzimas son enzimas conactividad semejante pero de distinta naturaleza proteica). Una de ellas colabora con el NAD(produciendo NADH) y otra colabora con el NADP (produciendo NADPH). El NADPH se utilizafundamentalmente en misiones biosintticas y no es una fuente de electrones en las cadenasrespiratorias, por lo que la existencia de esta isoenzima en el ciclo de Krebs es un tantosorprendente. Parece que esta isoenzima mantiene la actividad basal del ciclo con independencia delas circunstancias fisiolgicas. En cambio, la otra isoenzima, que genera NADH para las cadenasmitocondriales de transporte electrnico, se activa de acuerdo con las necesidades energticas (verms adelante).

La descarboxilacin oxidativa del -cetoglutarato es mucho ms compleja. Se trata de una reaccinen la que intervienen varias coenzimas, algunas ya mencionados, como NAD, FAD y coenzima A, yotras an no descritas, como el cido lipoico y el pirofosfato de tiamina. El proceso es idntico al quetiene lugar para convertir el piruvato en acetil-CoA. La oxidacin del -cetoglutarato producefinalmente succinil-CoA y NADH.c)

c) Tercera fase del ciclo de Krebs. Fosforilacin a nivel de sustrato.

En esta fase se produce la conversin del succinil-CoA en succinato. Al tratarse de un acil-CoA, lahidrlisis del enlace tioster produce energa, que se aprovecha por fosforilacin a nivel de sustratomediante la sntesis de GTP. La reaccin est catalizada por la succinato tiokinasa (Figura 15).

Figura 15. Formacin de succinato por la accin de la enzima succinato tioquinasa

Posteriormente, el GTP genera ATP mediante una reaccin de intercambio catalizada por lanucletido difosfato quinasa:

GTP + ADP = GDP + ATPd)

d) Cuarta fase del ciclo de Krebs. Oxidacin del succinato y regeneracin del oxalacetato.

En esta fase se producen dos reacciones de xido-reduccin que producen FADH2 y NADH,separadas por una reaccin de hidratacin (Figura 16).

Figura 16. Oxidacin del succinato y recuperacin del oxalacetato. 1: Succinato deshidrogenasa; 2:Fumarasa; 3: Malato deshidrogenasa

La primera de estas reacciones transforma el succinato en fumarato con produccin de FADH2. Laenzima responsable de catalizar este proceso (succinato deshidrogenasa) se diferencia de las demsenzimas del ciclo por su localizacin en la membrana interna mitocondrial, mientras que las otras seencuentran en la matriz. De hecho, la succinato deshidrogenasa forma parte del complejo II de lacadena respiratoria, por lo que el FADH2 cede sus electrones a nivel de la coenzima Q (apartado3.1.2).

La reaccin siguiente, catalizada por la enzima fumarasa, consiste en la hidratacin del fumaratopara originar malato. Posteriormente, el malato se oxida a oxalacetato, en reaccin catalizada por lamalato deshidrogenasa, con produccin de NADH. De esta forma se regenera el oxalacetato y puedevolver a funcionar el ciclo.

e) Rendimiento energtico del ciclo de Krebs.

Como se acaba de describir, una vuelta completa del ciclo de Krebs genera tres molculas de NADH,una de FADH2 y un GTP. Se puede concluir, por tanto, de forma aproximada, que se producen 10molculas de ATP. En efecto, cada molcula de NADH genera 2,5 de ATP y el FADH2 genera 1,5(apartado 3.1.2), mientras que el GTP equivale a una molcula de ATP.

f) Regulacin del ciclo de Krebs.

El funcionamiento del ciclo de Krebs est controlado fundamentalmente por el estado energtico dela clula, como era lgico esperar, dado su carcter de "turbina metablica". Cuando la clula seencuentra en condiciones de plenitud energtica, los niveles de ATP son altos mientras que los deADP son bajos. Por el contrario, la escasez energtica se caracteriza por altos niveles de ADP y bajacantidad de ATP. Por otra parte, dada la estrecha relacin entre el funcionamiento de las cadenas detransporte electrnico y la fosforilacin oxidativa, los niveles de las coenzimas reducidas secorresponden con las concentraciones de ATP.

Se puede concluir, por tanto, que el funcionamiento del ciclo ser tanto mayor cuanto menos ATP yms ADP existan en la clula.

Los puntos concretos de control son las etapas enzimticas catalizadas por la isocitratodeshidrogenasa y por la cetoglutarato deshidrogenasa. Se trata de dos enzimas cuya actividad seregula por las seales celulares que se acaban de mencionar. La isocitrato deshidrogenasa ligada alNAD es activada por ADP e inhibida por ATP y NADH. La -cetoglutarato deshidrogenasa tambin esinhibida por ATP y NADH, as como por su producto, el succinil-CoA. En el msculo esqueltico,ambas enzimas son activadas, adems, por los aumentos de las concentraciones intramitocondrialesde iones calcio que acompaan al estmulo elctrico de la actividad muscular.

g) Aspectos anfiblicos del ciclo de Krebs.

La estructura "cerrada" del ciclo de Krebs que se acaba de describir no se corresponde exactamentecon la realidad en nuestras clulas. Algunos de sus intermediarios pueden provenir de otrosorgenes, especialmente de aminocidos

Por otra parte, en otros casos, dichos intermediarios tambin pueden "escapar" del ciclo con finesbiosintticos. As, el oxalacetato se utiliza en la gluconeognesis como sustrato de lafosfoenolpiruvato carboxiquinasa, mientras que el citrato sale de la mitocondria para convertirse enacetil-CoA y dar origen a los cidos grasos. Por otra parte, el oxalacetato y el -cetoglutaratopueden originar aspartato y glutamato por transaminacin y pueden incorporarse posteriormente alas protenas. Algunas de estas vas anfiblicas se muestran esquemticamente en la Figura 17.


Figura 17. Algunas vas anfiblicas del ciclo de Krebs. PEP: Fosfoenolpiruvato


3.2.3. Papel de las vitaminas y los minerales en el metabolismo

Las grandes rutas metablicas indicadas en la Figura 11 estn compuestas por mltiples reacciones,estando la prctica totalidad de las mismas catalizadas por enzimas, muchas de las cuales requierenel concurso de una o varias coenzimas.

Figura 11.Las tres grandes fases del metabolismo

La mayora de estas coenzimas son derivados de algunas vitaminas. Por ello, para un correctofuncionamiento del metabolismo hacen falta niveles adecuados de dichas vitaminas. Las deficienciasen su aporte afectarn, por tanto, a las etapas en las que intervienen, produciendo alteracionesbioqumicas que pueden llegar a conducir en los casos ms acusados a las alteraciones patolgicascorrespondientes. Por ejemplo, el pirofosfato de tiamina es una coenzima derivada de la vitamina B1que interviene en la reaccin catalizada por la piruvato deshidrogenasa. Esta reaccin consiste en elpaso de piruvato a acetil-CoA y constituye una etapa decisiva en la utilizacin oxidativa de laglucosa. Dada la importancia de la glucosa como sustrato metablico de las neuronas, la deficienciade tiamina afecta al sistema nervioso originando el cuadro clnico del beri-beri. A ttulo indicativo, enla Figura 18 se sealan algunas formas coenzimticas de varias vitaminas que intervienen en lasrutas catablicas centrales. Algunos elementos minerales forman parte de la constitucin de enzimaso intervienen como cofactores en sus funciones catalticas. As, por ejemplo, el cobre forma parte denumerosas enzimas, entre las que podemos destacar la citocromo oxidasa, que cataliza la ltimaetapa en la cadena respiratoria (apartado 3.1.2). Por otra parte, el magnesio se utiliza como cofactoren las reacciones catalizadas por las quinasas, como la hexoquinasa, que interviene en la formacinde glucosa-6-fosfato a partir de glucosa, iniciando as su metabolizacin en los tejidos perifricos. Aligual que en el caso de las vitaminas, las deficiencias en alguno de estos minerales puede llevarconsigo las perturbaciones metablicas correspondientes. As, la falta de cobre puede originartrastornos nerviosos por la ineficacia de la citocromo oxidasa, dada la trascendencia del metabolismo


oxidativo en las neuronas.Los alimentos muy refinados carecen prcticamente de vitaminas yminerales, por lo que sus macronutrientes originan nicamente caloras ("caloras vacas"). El abusode este tipo de alimentos (grasas, aceites, pan blanco, azcar, alcohol, etc.) puede, por tanto,originar deficiencias vitamnicas y minerales, y repercutir de forma muy negativa en el metabolismo.

Figura 18. Algunas vas metablicas en las que intervienen coenzimas derivados de vitaminas. CoA:Coenzima A; FAD: Flavn-adenn dinuclotido; NAD: Nicotn-adenn dinucletido; PLP: Piridoxal-

fosfato; TPP: Tiamina pirofosfato


3.2.4. Compartimentacin celular

Los procesos metablicos se localizan en diferentes compartimentos celulares. As, la gluclisis sedesarrolla en el citosol y el ciclo tricarboxlico se produce en la mitocondria mientras que el ciclo dela urea utiliza ambos territorios.

En la Figura 19 se indica la localizacin celular de algunos de los principales procesos metablicos.La compartimentacin celular plantea problemas de transporte de metabolitos y coenzimas, y puedejugar un papel importante en la regulacin de los correspondientes procesos. En algunos casos, losmetabolitos pueden acceder a localizaciones celulares diferentes mediante transportadoresespecficos. Ya se ha descrito anteriormente (apartado 3.1.2.) la existencia de transportadores paraque el ATP pueda salir de la mitocondria y el ADP pueda penetrar en este orgnulo. Un sistema mscomplejo lo constituyen las denominadas "lanzaderas", que se utilizan cuando no existentransportadores adecuados. Las lanzaderas ms caractersticas son las que transportan losequivalentes de reduccin entre el citosol y la mitocondria.

Figura 19. Localizacin intracelular de algunos enzimas y procesos metablicos

Durante el transcurso de la gluclisis se generan equivalentes de reduccin en forma de NADH en elcitosol. Estas coenzimas reducidas no pueden acceder a las mitocondrias para su aprovechamientooxidativo, porque la membrana interna mitocondrial es impermeable para dichas molculas. Sinembargo, existe la posibilidad de utilizar el NADH para reducir a un metabolito capaz de atravesar lamembrana mitocondrial. Una vez en el interior de este orgnulo, se procede a la regeneracin de laforma oxidada del metabolito con produccin intramitocondrial de la coenzima reducida, que yapuede utilizarse en las cadenas de transporte electrnico. Por ltimo, el metabolito oxidado vuelve al

citosol para permitir el funcionamiento continuo de la lanzadera.

En la Figura 20 se esquematizan dos sistemas de lanzadera para la utilizacin del NADH citoslicoprocedente de la gluclisis. El primero de ellos se denomina "lanzadera del glicerol-fosfato", que esel nombre de uno de los metabolitos utilizados para atravesar la membrana mitocondrial. Comopuede observarse, la oxidacin intramitocondrial del glicerol-fosfato genera FADH2. Esto supone unaligera prdida de poder energtico, puesto que esta coenzima origina menos ATP que el NADH. Porotra parte, esta lanzadera es de carcter irreversible, lo que asegura el rendimiento energtico delproceso.

Figura 20. Lanzaderas del glicerol-fosfato (a) y del malato-aspartato (b). MDH: Malatodeshidrogenasa; ASA: Aspartato aminotransferasa

La "lanzadera de malato-aspartato" es un poco ms compleja. El NADH se utiliza para reducir eloxalacetato con produccin de malato. Este metabolito penetra en la mitocondria y es oxidado aoxalacetato con produccin de NADH. Sin embargo, la membrana interna mitocondrial esimpermeable al oxalacetato, por lo que se necesitan unas reacciones adicionales de transaminacinpara convertir el oxalacetato en aspartato, compuesto que dispone de un transportador especficopara atravesar la membrana.

En esta lanzadera no hay prdida de poder energtico. Por otra parte, es de carcter reversible. Estacualidad es interesante porque permite utilizar el poder reductor mitocondrial para el procesogluconeognico.

Existen otros mecanismos para atravesar la membrana mitocondrial. As, los cidos grasos de cadenalarga entran en la mitocondria para su utilizacin oxidativa tras su conversin en derivados de lacarnitina. Por otra parte, el acetil-CoA mitocondrial procedente del metabolismo glucdico debe saliral citosol para la biosntesis de cidos grasos (lipognesis), pero la membrana mitocondrial esimpermeable al acetil-CoA.

Para resolver este problema, y como ya se ha comentado (apartado 3.2.1), se utiliza la primeraetapa enzimtica del ciclo de Krebs, que origina citrato. Este compuesto tiene un transportadorespecfico que le permite salir al citosol donde se produce su conversin posterior en acetil-CoA.

Ampliar animacin: Lanzadera de Glicerol - Fosfato


Ampliar animacin: Lanzadera de Malato - Aspartato


3.2.5. Compartimentacin tisular

La mayor parte de las clulas del organismo son capaces de realizar las principales vasmetablicas, pero existen generalmente diferencias cuantitativas en el funcionamiento de lasmismas.

As, por ejemplo, la sntesis de colesterol es mucho ms importante en el hgado que en los demstejidos. Adems, hay clulas que carecen del equipamiento enzimtico necesario para llevar a cabodeterminados procesos catablicos o biosintticos. El ejemplo ms caracterstico lo constituyen loseritrocitos, en los que no se da el ciclo tricarboxlico por carecer de mitocondrias.

Un corolario importante de las diferentes capacidades metablicas de los tejidos es la existencia deintercambios tisulares de nutrientes y metabolitos. Los principales rganos y tejidos implicados enestas interrelaciones son el hgado, el msculo, el cerebro, el tejido adiposo y los eritrocitos.

El hgado tiene un papel fundamental en el mantenimiento de la glucemia. Puede almacenar glucosacomo glucgeno y puede sintetizarla por gluconeognesis. De esta forma, garantiza niveles deglucosa adecuados para su utilizacin para los tejidos glucodependientes, especialmente el cerebro.Es interesante destacar, sin embargo, que la gluconeognesis se produce durante el ayuno a partirde aminocidos musculares, lo que lleva consigo la destruccin de las correspondientes protenas.

Tambin es importante el hgado en el metabolismo lipdico. Por una parte, juega un papel principalen la sntesis y en la utilizacin de las diferentes lipoprotenas sanguneas. Por otra parte, es elresponsable de la sntesis de los compuestos cetnicos a partir de los cidos grasos. Los compuestoscetnicos son cruciales para el metabolismo cerebral durante el ayuno prolongado. Sin embargo, suproduccin excesiva, como ocurre en la diabetes descompensada, se acompaa de alteracionespatolgicas severas.

El hgado es la sede principal del metabolismo de los aminocidos, de su utilizacin energtica ogluconeognica y de la desintoxicacin del amoniaco producido en estas reacciones mediante laformacin de urea. Tambin es el rgano en el que se sintetizan los principales derivadosnitrogenados de los aminocidos.

Resulta evidente que el hgado funciona como una "estacin intermedia" que regula el aporte de losdiferentes nutriente

Funciones y metabolismo de los nutrientes

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